高速列车牵引电传动系统集成与优化设计研究

高速列车牵引电传动系统集成与优化设计研究

1引言

高速列车的发展就是一个技术不断创新、舒适性不断改进、可靠性不断加强、速度不断提高以满足社会经济发展需求的过程。近半个世纪以来，运营速度200km/h以上的高速列车在日本、法国、德国等多个国家取得成功，快捷、舒适、安全、可靠的高速列车不仅加速了社会经济发展，而且丰富了铁路产业的内涵。

1997～2004年，我国铁路进行了5次大面积提速调图，但列车速度仍没有达到200km/h以上的速度。2007年第6次的铁路大提速，使得列车运行速度提高到200km/h的区间达到6000km，840km线路达到250km/h速度要求。第6次提速为我国高速铁路的建设奠定了技术基础，标志着中国铁路迈入了高速化运行的时代。

2007年，通过引进、消化、吸收、再创新，由唐车公司、四方公司、长客公司生产的多个系列时速250km高速列车下线。截至2009年上半年，投入运行的时速250km的高速列车达到300余列，成功运行于京津、石太、合武3条客运专线和京哈、京沪、京广等多条既有线。我国高速列车型号有CRH1型、CRH2型、CRH3型和CRH5型，为了满足京沪高铁的需要，又再此基础上开发了满足350km/h的改进型高速列车，这些系列统称为和谐号动车组。

高速列车的设计制造是一个复杂的系统工程，此项工作在我国尚处于起步阶段。高速列车的设计首先要提出顶层的设计目标，针对列车的速度要求、舒适性要求、节能环保要求和安全性可靠性要求建立不同的优化设计方案。设计生产满足要求的高速列车，还必须对高速列车的关键组成部件进行全面的理论分析与技术积累，在此基础上进行系统集成和优化设计。牵引电传动系统是全列车的动力保证，作为现代高速列车的核心技术，对其进行技术优化与系统集成能保证该系统与整车的设计顶层目标一致。

2高速列车设计顶层目标分析

高速列车是一个多学科相互交叉相互影响的综合技术体。高速列车设计需要重点解决的问题包括：高速转向架、轻量化车体、牵引传动与制动、网络通信、辅助供电以及车载监控。研究设计高速列车必须具有一套完整的技术体系，包括基础理论研究、技术管理规程、相关规范与标准等，从全局高度反映系统总体技术特点与技术水平关键指标集合。

2.1 顶层目标设定需求

高速列车优化设计顶层目标的确立，直接支持高速列车系统的顶层设计，使得系统内各项技术运用都紧密围绕顶层目标进行。这样可以有效配置系统内部技术资源，将那些虽短期内能取得局部效果，但不符合系统顶层目标技术方案的优化都舍去。这可以按照既定原则来接近顶层目标，寻求所预期的整体效应。

高速列车顶层目标设定需求，以下几个方面是主要原因：

(1) 顶层目标设定为高速列车设计制造指明方向

顶层目标设定使得高速列车设计优化目的更为直观，为高速列车设计制造指明明确方向。有了目标定位，系统集成与设计优化就要围绕各种既定指标进行，可以使决策者和施工者保持目标的一致；

(2)顶层目标可为高速列车设计提供指导，更好实现资源有效整合

顶层目标比其他目标更具有代表性和稳定性，在技术优化和系统集成过程中，系统整体以及子系统的设计、施工都需要围绕顶层目标进行。确定了顶层目标，系统集成和优化的过程才能更加有效有序的进行，才能更有针对性的选取所需要的技术和设备；

(3)顶层目标设置是对高速列车技术优化效果进行评价的基础

参照顶层目标对高速列车系统集成与优化设计的实施情况进行合理评估，并为以后其他高速列车的优化设计提供参考。图1所示为高速列车顶层目标确定与优化设计的总体思路。

图1高速列车顶层目标确定与优化设计总体思路

2.2 高速列车设计顶层目标选取原则

高速列车是一个复杂的大系统，构成部件众多，子系统既是独立体系，又有着相互的关联。在顶层目标的选取过程中，应当从系统主体出发，综合分析各种影响因素，确保所选取的顶层目标有着重要性和代表性，以及各项目标值设定的科学性与合理性。对高速列车系统集成与优化设计进行分析时，选取目标应坚持下面两点：第一，综合考虑多种背景因素，如成本、效率、社会效应、发展趋势与现有条件；第二，从全面性、关键性、科学性、系统性等多个角度出发，对影响高速列车设计整体性能的指标进行分析评价，找出关键指标。

本文选取5个高速列车设计的顶层目标，即速度、舒适性、能耗、安全以及可靠性能。

（1）速度是高速列车设计的关键参数

高速列车的速度是最直接反映其与其他交通工具不同的特点。旅行时间与最高运行速度是高速列车技术水平的主要标志和最直接体现，直接影响与其他交通工具的竞争能力。

（2）舒适性是旅客体验交通工具旅行时的直观感受

列车的车载设施，人员服务水平，乘坐舒适性会随着人们生活水平的提高要求越来越严。舒

适性是高速列车设计中人性化的重要体现。

（3）能耗要求是考量何种交通方式最有效的基本指标

节能与环保是社会经济可持续发展的强烈要求。高速列车的运行，会消耗大量能源，并对周边环境带来噪声、振动、电磁辐射等多方面的污染，影响沿线居民或生物环境的生存方式，因此节能与环保是高速列车设计的重要理念。

（4）安全是高速列车正常运营的前提和保障

选择出行方式时，人们会非常关注旅行方式的安全性。安全与防灾贯穿高速列车甚至高速铁路系统规划、设计、施工、运营的全过程。

（5）可靠性体现在高速列车运行过程中

要保证列车的正常高效，也要保证列车服役年限内维修、运行、服务的综合成本，这体现列车从产生到淘汰的综合利用水平。

2.3 高速列车设计顶层目标分析研究

针对顶层目标来确定目标值，才能刚性约束高速列车系统集成与优化设计。目标值的合理与否直接关系整个系统的成败。目标值过高可能造成技术实现困难，系统运行不稳定；过低的目标值造成列车能力有限，技术水平较低，不能长期运行发展。必须对顶层目标加以分析，来科学合理的确定目标值。

（1）速度目标值

高速列车设计有几个关键速度——持续运营速度、最高运行速度和最高试验速度。京津线最高运行速度350km/h，最高试验速度394.3km/h，持续运营速度270km/h。石太、合武客专最高运行速度250km/h，持续运营速度200km/h。即将于2012年开行的京沪高速最高运行速度

380km/h，最高试验速度400km/h，持续运营速度350km/h。速度目标值直接决定旅行时间，这是旅客选择高速铁路的首要考虑因素。

（2）舒适性目标值

高速列车作为一种现代化交通工具，需要提供旅客舒适的旅行感受。舒适性包含多个方面的指标，既有列车硬件设施的，也有运行外部条件的，还有服务人性化方面的。舒适性指标值一般考虑以下几个方面：车内空气环境——客室温度夏季24～28℃，冬季18～22℃，客室湿度夏季40%～50%，冬季60%～70%。车内空气含尘量小于0.5mg/m3，微风速小于0.25m/s。车内气压变化——客室内气压变化小于1kPa，压力变化率小于200Pa/s。车体振动——列车垂向振动加速度不大于2.5m/s2，横向加速度不大于2.5m/s2，纵向冲动减速度不大于1.4m/s2，平均减速度不大于1 m/s2，减减速度不大于0.6 m/s2。车内噪声——一般客室不大于70dB，通过台不大于80dB。光源照明——光源充足，柔和，色彩协调，满足旅客阅读需求。娱乐系统及客服系统——通信质量良好，个性化服务，换乘便捷等。

（3）能耗目标值

节能和环保是现代交通工具的发展方向，高速列车的设计需要考虑能量消耗值与对外界产生的干扰值。京沪高速列车开行时，人均消耗的能量要求小于80kW·h，牵引总效率不低于85%。高速列车通过电力牵引，还要考虑电磁兼容的问题，需满足GB/T17626和EN50121标准，另外废弃污染方面也要做到回收集中处理。

（4）安全目标值

高速列车的安全目标值是优化设计的重点，是保障旅客人身财产安全的基础。影响高速列车安全运行的主要指标有：临界失稳速度、脱轨系数、轮重减载率、动态横向力以及紧急制动距离等。在保证列车安全运行的情况下，还要考虑高速列车防火、防烟、防毒、防震功能。京沪高速列车临界失稳速度大于550km/h，脱轨系数小于0.8，轮重减载率小于0.8；紧急制动在350km/h 时不大于6500m。侧风风速20m/s以下时，高速列车可正常运行。雨水、雪面不超过轨面100mm，列车可正常运行。列车可耐受雷击170kV冲击电压。

（5）可靠服役目标值

高速列车服役期间，因某些参数改变会引起可靠性变化或动力学性能恶化。确定可靠服役目标值，可为设计公差设置和维修许用范围设置提供依据。高速列车服役期间可靠性能受开行方案和开行原则的影响，要保证高速列车运营既能体现铁路管理与运营水平的先进性，又要满足不同运量客运需求，提高资源利用率，降低维护成本。这就需要在运行当中依靠不同的运量需求，设计不同的开行方案。

3 高速列车牵引电传动系统集成研究

高速列车是高速铁路系统中最重要的设备，是直观反映铁路现代化的载体。高速列车设计制造是一个复杂的系统化工程，必须具有一套完整的技术管理规程、基础理论指导、相关规范标准予以支撑。高速列车系统一般包含9大关键技术和10项主要配套装置。9大关键技术包括：整车系统集成、轻量化车体、转向架、牵引变压器、牵引电机、牵引变流器、牵引控制系统、制动系统、列车网络通信。10项配套技术包括：受电弓、车内电气、空调系统、车钩缓冲、车门、车窗、座椅、风挡、车内饰、集便器。

国内外车辆生产厂家都是通过关键技术和关键部件的系统集成，来实现整车设计方案规划和确定生产目标。目前国内能够实现高速列车整车生产的厂家有青岛四方机车车辆股份有限公司，四方-庞巴迪-鲍尔铁路运输设备有限公司，长春轨道客车股份有限公司和唐山轨道客车有限责任公司。列车牵引电传动系统是列车运行的动力保证，由受电弓接受电网电能经过断路器到主变压器，经主变流系统到牵引电机实现电网能量到轮对机械能量的转换。牵引电传动系统涵盖了几个子系统多项关键技术的内容，包括受流技术、变流技术、牵引控制技术、电机传动技术和监控检测技术。

3.1 高速受流技术

高速列车运行所需电能都是通过受电弓与电网接触取得，高速条件下弓网受流稳定性也就成为保证列车高速运行的关键因素。高速受流技术的研究主要包括受电弓设计和弓网关系研究，主要目的是保证受电弓有良好受流。评价弓网受流性能的要求包括：弓网动态接触力、离线、硬点、接触线动态抬升量等。高速受流当中，最大接触力小于200N，最小接触力大于40N，平均接触力90-140N，标准差小于28N；离线频度不大于1次/160m，离线率不大于5%，单次最大离线时间不大于100ms；硬点垂向加速度不大于490m/s2，纵向加速度不大于98m/s2；接触线最大垂向振幅差小于150mm。

高速受电弓设计是弓网关系设计的重要组成部分。要保证弓网接触可靠、磨耗小，从而具有良好的受流质量。受电弓活动部分归算质量要小，要有良好的静压力特性，具有足够的机械强度和刚度，具有良好的空气动力学性能。

3.2 大功率变流技术

大功率变流是保证电能按要求变换的关键技术，实现从固定高压网到移动低压电气的能量转移。大功率变流涉及半导体开关器件、无源滤波器件、变压器、无感母排、散热设计、驱动与保护电路、电磁兼容以及PWM控制技术等诸多技术。牵引传动系统中的牵引变压器、牵引变流器、牵引电机构成了变流系统，而变流系统的容量计算是非常重要的设计依据。变流系统的电压电流等级是首要的考虑目标。在此基础上还要考虑电气安全和电磁环境，在保证功率密度尽量大的条件下保证系统的可靠性和冗余性。

CRH2-300型动车组牵引变流器采用电压型3点式电路，由脉冲整流器、中间直流电路、逆变器构成。变压器牵引绕组AC1500V、50Hz交流电输入脉冲整流器。3点式PWM变频脉冲整流器采用IGBT元件，实现输出直流电压2600V～3000V定压控制、牵引变压器原边电压、电流、功率因数的控制，以及无接点控制装置保护。再生制动时，脉冲整流器接收滤波电容器输出的直流3000V 电压，向牵引变压器供应AC1500V、50Hz交流电并返回电网。滤波电容器直流电压输入逆变器，

根据IGBT控制信号，输出变频变压的三相交流电，对4台并联的感应电机进行转速、扭矩控制。再生制动时逆变器控制在功能上按正向程序转换，感应电机发出三相交流电，逆变器向滤波电容器输出直流电压。感应电机采用矢量控制方式，独立控制电机扭矩电流和励磁电流，使扭矩控制高精度化、反应高速化，提高电流控制性能。

CRH2-300型动车组牵引变流器额定输入为1285kVA，单相交流1500V，857A，50Hz；中间直流电路1296kW，直流电压3000V，432A；额定输出1475kVA，三相交流2300V，424A，0～220Hz；液体沸腾冷却机械通风方式，冷媒为氟化碳(FX3250)。CRH2-300型动车组牵引变压器主要参数见附表。

附表牵引变压器主要参数

3.3 电机牵引控制技术

牵引电机是将电能转化为机械能的最终环节，高速列车的运行状况——加减速、起动、制动——最终都是通过对电机的控制实现转速转矩的输出。列车牵引功率主要与列车最高运行速度、列车质量、最高速度时的列车运行阻力和剩余加速度密切相关。根据列车牵引功率、齿轮传动效率、牵引电机效率，可计算出牵引电动机的总功率，如式（1）所示：

（1）

式中：P M——牵引电机总功率，ηGear——齿轮传动效率，ηMM——牵引电机效率。

列车牵引功率PK计算如式（2）所示：

（2）

式中：P K——列车牵引功率，M——列车质量，w0——最高速度对应基本阻力，γ——质量系数，Δα——剩余加速度，Δν——逆风速度，υmax——列车最高运行速度。

电机牵引控制技术包含电机设计、电机控制、自动控制技术等多方学科。与传统的工业电机传动不同，高速列车牵引特性可归纳为以下几点：低速区牵引力恒定或随速度升高而略有下降，应与高速列车的黏着特性随速度的变化趋势相适应；由于高速列车大都采用轻量化技术，牵引力比大功率机车牵引力明显减小；高速区为恒功率曲线，牵引力随速度升高而呈双曲线关系下降。这与内燃机、电力机车的恒功牵引特性曲线是相似的，但恒功范围略小，一般是恒功率范围起始点速度的2-3倍，且向高速区移动；对于最高速350km/h的动车组，恒功范围起始点多在100km/h 以上；因采用动力分散牵引模式，在正常轨面状态下，启动时及低速范围的牵引力低于黏着限制曲线较多，因此，在动车组的牵引特性曲线中，黏着特性曲线通常不画出。

除了电机的控制技术，电机与传动系统的接口也是很重要的。牵引系统与机械传动系统的接口就是电机转子与齿轮箱的接口，这关系到齿轮传动比与电动机转速以及电动机扭矩发挥的匹

配。随着传动比的减小，列车在低速段的牵引力降低，加速性能也会降低。从齿轮传动比与启动速度段的平均加速度匹配关系以及与列车最高持续速度的匹配关系可以看出，新一代高速列车齿轮传动比应在2.2-2.4间匹配，方能同时满足最高运行速度和启动平均速度的要求。影响动车组牵引性能的主要因素是牵引力与运行阻力，针对速度提升后牵引电机轴承面临的更高转速问题，通过改变传动比以提高相同电机转速下轮轴的输出转速，从而降低所需要的牵引电机轴承转速。

电机容量的满足只是保证高速列车获得足够动力的前提，在保证列车按照要求运行的同时，如果能够优化匹配动力单元设计，可以保证在最节能高效的情况下达到开行要求。高速列车的牵引单元配置，动车拖车配置，变流器配置与整车的动力输出有直接的影响，这在设计高速列车时也是研究的关键。

4 高速列车牵引传动设计方案系统优化

确定高速列车牵引传动系统设计顶层目标值，基本上就确立了设计高速列车应满足的传动性能指标。高速列车的设计方案要依据顶层设计目标值来确定各子部分的技术参数目标值。高速列车设计涵盖列车车体、转向架和制动、牵引传动与控制、网络通信与车载监控等关键技术。各子系统参数目标值必须围绕顶层目标值来确定，因此设计方案的系统优化也是以顶层目标值为基础。高速列车牵引传动设计方案系统优化也是从高速列车优化设计顶层目标而来。

4.1 高速列车牵引传动速度优化

速度是高速列车设计的顶层目标值，牵引传动系统设计需要依据速度目标值进行优化。速度指标包括持续运行速度、最高运行速度和试验速度，与之相关还包括牵引能力指标、编组和运能指标。这些决定了高速列车牵引传动系统的功率等级、变压器容量、牵引变流器和电机的技术参数。

列车牵引功率随速度的三次方增加，高速列车速度的提升，必须依靠牵引功率的提升和齿轮箱传动比参数的匹配。将应用于京沪高铁的CRH2-350型动车组，牵引功率达到20440kW，牵引电机功率提升至365kW，牵引变压器容量3855 kVA，牵引变流器容量为1617kVA；而已投入运营的CRH2-300型动车组，牵引功率为8200kW，牵引电机功率为342kW，变压器容量3515kVA，牵引变流器容量1513kVA。速度目标提升后，CRH2型车的传动比也由3.03调整至2.37。另外制动性能也要做相应的优化，制动距离不超过6.5km和8.5km（对应初速度350km/h和380km/h）。 CRH3-350型动车组相对于CRH3-300型动车组，对应速度的提升，牵引性能也做出了优化设计。对于8节编组的列车，牵引功率由8800kW增至11000kW，牵引电机功率由562kW增至586kW，变流器容量由2383kW增至2480kW，牵引变压器额定容量由5640kVA增至5920kVA。相应的传动比也有所降低，由CRH3-300型的2.79降至CRH3-350型车的2.43。

适用于京沪高速铁路的两种350km/h高速列车牵引特性曲线如图2所示。

图 2两种车型牵引特性曲线

4.2 高速列车牵引传动舒适性优化

舒适性主要是旅客的主观感受，牵引传动系统针对舒适性的优化设计主要考虑乘坐阶段的噪声与振动等指标。高速列车不仅面临普通速度列车类似的震动噪声问题，还包括高速时流固耦合震动带来的一系列新问题。具体包括：车体受力明显、加速度变化明显、列车高速运行噪声等。对于车体横向、垂向加速度的指标，与牵引传动相关，但是不是牵引传动主要优化的对象。牵引传动系统对于舒适性的优化主要集中在对加速度的控制。CRH2-350型车对紧急制动曲线进行了调整，采取了低速度区段加速度降低调整为1.122m/s2，能较好解决CRH2-300车低速时瞬时加速度过大影响旅客乘车舒适性的问题，并且使加速度曲线尽量变化趋缓，减小加速度变化率。

4.3 高速列车牵引传动节能环保优化

高速铁路不存在废气排放，是一种节能环保的运输工具。但随着速度的提高，列车的大功率牵引能耗及高分贝噪声必须加以控制和优化。针对京沪高速铁路，针对牵引传动系统的节能环保核心指标包括：

(1)旅客人均耗电量小于80kWh；

(2)列车牵引总效率不低于85%；

(3)电磁兼容满足EN50121、GB/T17626要求；

(4)列车再生制动能量回收率大于90%。

高速列车全部采用再生制动作为主要制动措施，可以降低基础制动的闸片与盘片磨损，减少维护成本。在降低制动噪声的同时又回收了制动能量。再生制动将惯性能量反馈回电网，达到节能目的。CRH2-300型动车组再生制动功率达到10400kW，高于牵引功率8200kW；CRH3-300型列车再生制动功率8250kW，略低于牵引功率8800kW。图3所示为两种车型再生制动功率曲线比较。

图3 CRH2-300型和CRH3型动车组再生制动功率曲线比较

高速列车牵引传动节能环保优化还包括对动力设备的降噪设计。通过优化齿轮、轴承等部件结构，选配合适的润滑材料，降低摩擦噪声；优化风机叶片、冷却风道等结构，降低气流紊流，抑制气动噪声；采用质量轻、功率大的交流异步电机驱动，并采用安装结构简单的架悬方式安装；并从电磁干扰源、传输途径和电磁防护等方面进行优化设计，降低高压、大电流、大功率开关器件所产生的电磁污染。

4.4 高速列车牵引传动安全可靠性优化

牵引传动系统安全可靠是保证高速列车可靠行驶，安全运转的重点内容。包含高速列车的行车安全、车内外人员安全和配套设备的安全。列车高速运行，给列车带来频繁的冲击，车轴、紧固件、制动闸片等关键零部件，容易导致结构及材料疲劳，需要紧密关注与监测。列车牵引功率增大会引起受电弓电流增大，引起接触网电气和机械磨损增加。由于高速列车多编组、多到发还有长达区段运行，会碰到不同的人流变化与天气变化，这些因素也是安全可靠优化的范围。

牵引传动安全可靠体现在高速列车的综合维修上。以列车安全可靠为中心，依据列车运行状况、故障规律及故障后果，合理确定有效的维修方式、维修类型、维修周期和维修级别，以最少

的维修资源消耗确保高速列车运行安全。

高速列车安全优化必须考虑紧急制动。CRH3-350型高速列车基础制动装置优化了制动参数，减少制动盘面的热负荷；优化了轮装制动盘的通风辅板结构和连接螺栓强度，以满足更高热应力要求。

5结束语

高速列车是多种高新技术的系统集成，牵引传动系统作为高速列车的核心技术装备，其设计与研究都应按照高速列车的系统集成与优化设计来执行。牵引传动系统集成与优化设计，遵循整车系统的顶层目标设计与优化。针对四个基本的顶层目标值——速度、舒适性、节能环保和安全可靠——开展各部分的集成与优化。高速列车牵引电传动系统集成与优化设计，为保证高速列车整车设计与制造达到综合性能，提供了必要的约束；反映了高速列车总系统与各关键子系统的技术指标集合，优化了资源配置。

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